Я остановлюсь только на трех способах. Первый способ предусматривает применение потенциометра1).
I. Схема этого способа дана на рис. 9; здесь батарея напряжением 6—10 v (в зависимости от формы характеристики) присоединяется к зажимам ab переменного реостата (называемого в данном случае, по выполняемой им функции, потенциометром) с сопротивлением порядка 400 ом. Цепь сетки присоединяется одним концом к зажиму a, другим к движку на потенциометре c. Батарейка задает на потенциометре падение напряжения с полярностью, указанной на рис. 9. Передвигая движок вдоль потенциометра, можно задать любое напряжение на сетку в пределах напряжения батарейки. При включении батарейки, указанном на рисунке, мы задаем отрицательную разность потенциалов на сетку—нить лампы, при чем задаваемый потенциал будет тем более отрицателен, чем ближе к точке b помещен движок. Если полярность батарейки переменить, то движок будет задавать положительную разность потенциалов на сетку—нить лампы. Этот способ имеет тот недостаток, что он:
Требует применения потенциометра, т.-е. прибора, стоющего довольно дорого. Конечно, можно избежать применения потенциометра, если точно известна характеристика лампы. Тогда, определивши по характеристике требуемое отрицательное напряжение на сетку, присоединяют соответствующую батарейку из сухих элементов минусом к сетке.
Этот способ требует применения лишней батареи, что в эксплоатационной практике, для радиолюбителя особенно, вызывает некоторые затруднения.
II. Возможно задать на сетку отрицательное напряжение и несколько иным способом. Схема этого способа изображена на рис. 10. Здесь в цепь накала в минусовой провод включается реостат с сопротивлением, зависящим от напряжения, которое желательно задать на сетку. Напряжение батареи накала здесь должно быть взято таковым, чтобы оно было достаточно для накала нити и для задания отрицательного потенциала на сетку. Принцип действия схемы таков. Потенциал на сетке обычно бывает равным потенциалу той точки батареи, к которому присоединена цепь сетки. Таким образом, в схеме рис. 10 потенциал на сетке равен потенциалу отрицательного полюса батареи накала (положим —2 вольт). Если цепь сетки присоединить к плюсу батареи накала, то легко понять, что потенциал на сетке будет равен потенциалу этой же точки. Разность же потенциалов между сеткой и нитью в обоих случаях определится потенциалами сетки и конца нити, присоединенной к минусу батареи. Последнее об'ясняется тем, что между анодом и отрицательным концом нити большая разность потенциалов, чем между анодом и положительным концом ее, вследствие этого эмиссионный ток и определяется, главным образом, этим потенциалом.
Кроме того, электроны, циркулирующие в цепи анода, а следовательно, и в цепи сетки, возвращаясь к нити, проходят через провод цепи накала, присоединенный к отрицательному полюсу батареи (рис. 11), где направление их движения совпадает с направлением электронов, движущихся в большем количестве в цепи накала, поэтому отрицательный конец нити сильнее накален. На рис. 12 изображена примерная картина распределения электронного тока между анодом и нитью микролампы2). Таким образом, если по схеме рис. 10 цепь сетки присоединяется к минусу цепи накала, то можно практически считать разность потенциалов между сеткой и нитью равной 0; если цепь сетки присоединить к плюсу накала, то разность потенциалов между сеткой и нитью практически станет равной 4 вольтам, при чем сетка будет иметь потенциал на 4 вольта положительнее, чем нить. Если теперь между отрицательным полюсом батареи накала и нитью включить некоторое сопротивление, а напряжение батареи увеличить настолько, чтобы скомпенсировать падение потенциала на этом сопротивлении, ток накала оставить тем же, то разность потенциалов сетка—нить станет равной падению напряжения на этом сопротивлении.
При чем сетка будет находиться под напряжением более отрицательным на величину падения напряжения на этом сопротивлении, чем отрицательный конец нити. Таким образом, если нам желательно задать на сетку отрицательное напряжение —2 v, нить же используемой лампы нормально накаляется при 4 вольтах, то мы берем батарею накала в 6 вольт и вставляем в "отрицательный провод" цепи накала сопротивление 2 ома. Само собой понятно, что применение этого случая выгодно только тогда, когда рабочая анодная характеристика сдвинута вправо и когда ток накала не велик. Этим условиям удовлетворяет, например, микролампа Треста Слабых Токов. Над первым способом, этот способ имеет то преимущество, что он требует реостат гораздо меньшего сопротивления, чем потенциометр при первом способе. Недостаток же его тот, что батарейка, предназначенная в цепь сетки с весьма малым потреблением тока, здесь должна быть использована в цепи накала, а потому она при этом режиме расходуется несравненно быстрее.
III. Схема 3-го способа изображена на рис. 13. Здесь для задания сетке отрицательного потенциала используется батарея цепи анода, для чего в цепь анода так, как это показано на рисунке, включается переменное сопротивление.
На зажимах этого сопротивления анодная батарея задает разность потенциалов, при чем точка b этого сопротивления будет иметь более низкий потенциал, чем точка a, в зависимости от величины этого сопротивления. Если теперь присоединить к точке b цепь сетки, то на сетку относительно нити будет задан потенциал, равный падению напряжения на этом сопротивлении. Потенциал на сетку можно точно подобрать во время приема, если присоединить цепь сетки к ползунку c, передвигающемуся вдоль этого сопротивления. Этот способ имеет тот недостаток, что величина этого сопротивления для того, чтобы можно было подать на сетку напряжение порядка 5—10 v. должно быть значительным и тем большим, чем больше внутреннее сопротивление анод—нить лампы. Так, например, если в приемнике используется лампа "Р5", дающая при напряжении на аноде 80 вольт (сопротивление анод—нить около 27.000 ом), наилучшее детектирование при —6 вольт, то это сопротивление должно быть порядка 3.000 ом.
Из изложенного ясно, что метод детектирования с использованном нижнего перегиба характеристики анодного тока, хотя и чрезвычайно прост по существу, тем не менее в радиолюбительской практике всегда встретит некоторые затруднения в вопросе приложения к сетке отрицательного потенциала.
Поэтому мы этим не ограничимся, а перейдем к рассмотрению другого метода, метода использования кривизны характеристики тока сетки, которому суждено найти большое распространение в любительской практике. Схема этого метода детектирования помощью катодной лампы изображена на рис. 14. В этой схеме в цепь сетки включен конденсатор C, зашунтированный большим сопротивлением (от 1 до 3 мегом). Сопротивление R обычно носит название сопротивления "утечки". В иностранной литературе вся комбинация емкости C и сопротивления R иногда называется сокращенно "Грид-ликом". "Грид-лик" — слово английское, дословный перевод — "утечка сетки". Термин этот, как читатель увидит ниже, не по существу3) а поэтому неудачен, но тем не менее он имеет некоторое распространение и в русской радиотехнической литературе.
В некоторых случаях практики вместо схемы рис. 14 употребляют схему рис. 15. Так как сопротивление катушки L во всех случаях практики ничтожно по сравнению с сопротивлением R, то эта схема совершенно аналогична по своему действию схеме рис. 14. Поэтому все, что в дальнейшем будет сказано о схеме рис. 14, в одинаковой степени относится и к схеме рис. 15.
Перейдем теперь к рассмотрению процессов, происходящих в этой схеме при приеме сигналов, предположив, для простоты об'яснения, что цепь сетки присоединена к положительному полюсу батареи накала. В своих рассуждениях обратимся к графическому изображению явлений в цепях лампы (см. рис. 16), сделанному на тех же основаниях, что и изображение на рис. 5 (см. № 5 "РЛ").
Прежде всего, важно определить постоянную разность потенциалов между сеткой и нитью (как и раньше, отрицательным концом) в схеме рис. 14 при отсутствии сигналов. Мы уже знаем, что если бы не было в цепи сопротивления R, то эта разность потенциалов была бы равна напряжению батареи накала. При включении сопротивления R картина, очевидно, изменится. Напряжение на сетке—нить будет меньше напряжения батареи накала на величину падения напряжения на сопротивлении R. Падение же потенциала при действующем напряжении определится силою постоянного тока в цепи сетки. Так, напр., если при R = 4 мегома, Ig = 0,94 микроампер, то Vg — +0,22 вольта. Вследствие того, что кривая тока сетки вблизи нулевого потенциала на сетке имеет характер, изображенный на рис. 17, т.-е. в цепи сетки течет ток и при нулевом потенциале на сетке и при небольших отрицательных потенциалах на ней, то не трудно понять, что если цепь сетки присоединить к минусу батареи накала, то на сетке будет отрицательный потенциал, величина которого зависит, как и для случая присоединения цепи сетки к плюсу батареи, от сопротивления R и от формы характеристики тока сетки. Если, помимо присоединения цепи сетки к минусу батареи накала, в нее включена батарейка элементов для задания на сетку отрицательного потенциала, то при отрицательных напряжениях ниже определенной величины, например, ниже 1 вольта для случая р. 17, ввиду отсутствия тока сетки, напряжение батарейки будет получено практически полностью между сеткой и нитью, падения напряжения на R в этом случае нет. Если в цепь сетки включен только конденсатор C, то роль сопротивления утечки играет сопротивление изоляции между контактными ножками лампы, имеющее в нормальной лампе величину не меньше 30 мегом. Это сопротивление и определит потенциал на сетке. Например, нормальная лампа Р5 даст при присоединении цепи сетки к минусу ток в аноде 2 миллиампера, при включении в цепь сетки конденсатора — ток 1,5 миллиампера, которому соответствует отрицательное напряжение на сетке в 1,2 вольта.
Таким образом (рис. 16), при отсутствии сигнала напряжение между сеткой и нитью изобразится отрезком OA (цепь сетки присоединена к плюсу батареи накала), напряжение на сетке (относительно нити) равно 0,1 вольта. Ток анода, изображаемый отрезком AB, равен 1,25 миллиампера; ток сетки (отрезок OC) = 10 микроампер. Сопротивление утечки 400.000 ом.
Предположим теперь, что принимаемые сигналы задают на зажимах ab катушки L (схема рис. 14) электродвижущую силу, имеющую вид, изображенный на рис. 16 кривой I. За начало воздействия сигнала принята точка D, затем изменения ЭДС по времени рассматриваются по оси DF, как указано стрелкой. Если бы эта ЭДС в том же виде воздействовала на сетку—нить лампы, то в цепи сетки протекал бы ток, имеющий форму, изображенную пунктирной линией в части II рис. 16.
На самом же деле резкое повышение тока в цепи сетки при наличии конденсатора приводит к существенному изменению всех дальнейших процессов, происходящих в лампе. Так как электрический ток (обратный направлению движения электронов), протекающий в цепи сетки в направлении от сетки к нити, задает на конденсатор заряд с полярностью, обратной прохождению тока, и пластина конденсатора, присоединенная к сетке, получит отрицательный потенциал, то напряжение на сетке начнет понижаться и общий вид напряжения, воздействующего на сетку—нить (в точках c и d на рис. 14), изобразится кривой III (рис. 16). Соответственно этому ток в цепи сетки примет вид, как указано сплошной линией II на том же рисунке 16. На рис. мы видим, что первый импульс тока в цепи сетки будет все же значительным, и он определит собой напряжение на сетке при последующем приеме данного сигнала.
Характер изменений анодного тока также определяется кривой III. Для этого необходимо только, сообразно с изменением напряжения на сетке, соответствующие мгновенные значения тока, определяемые из статической характеристики, нанести в зависимости от времени на особый график IV. Тогда периодическая кривая даст мгновенные значения тока в цепи анода, а кривая klmn — действующее значение тока в цепи анода. Из этих кривых мы видим, что приходящие сигналы при этом методе детектирования вызывают спадение тока в цепи анода, тогда как в рассмотренном раньше методе детектирования (детектирование кривизной анодного тока), сигналы вызывали возрастание тока в цепи анода (рис. 5). Так как в последнем методе детектирования спадание тока, а следовательно, и детекторный эффект, получается в результате возрастающего тока сетки, то этот метод называется методом использования кривизны характеристики тока сетки (на нижнем перегибе). И в самом деле, лампа при этом способе детектирования работает в области резкого изгиба характеристики сетки. Приходящие сигналы вызывают резкое увеличение тока сетки. Это увеличение тока сетки приводит к возрастанию напряжения, падающего на сопротивлении R, потенциал сетки уменьшается, а средний ток анода также уменьшается. Все это ясно на рисунке 16. После прекращения действия сигнала сетка находится еще при отрицательном напряжении заряда конденсатора. Но для того, чтобы лампа снова могла детектировать последующий сигнал, ее необходимо вернуть к прежнему режиму. Для этого необходимо устранить заряд на конденсаторе. Эту функцию и выполняет сопротивление R, включенное параллельно конденсатору. После прекращения действия сигнала заряд начнет стекать через это сопротивление, называемое утечкой, до полного его израсходования на этом сопротивлении. Этот процесс показан на рисунке 16 в его II, III и IV частях. Время стекания заряда зависит от заряда, а следовательно, от емкости C (так как заряд пропорционален емкости) и от сопротивления утечки; оно тем больше, чем больше произведение CR, называемое постоянной времени. Что касается выбора величины C и R, то в практике руководствуются следующим соображением: для приема радиотелефона без искажений желательно, чтобы стекание происходило возможно быстрее; для этого необходимо C и R взять возможно меньшими. Но если C взять чрезмерно малыми, то токи высокой частоты, циркулирующие в цепи сетки, встретят большое сопротивление при своем прохождении через емкость C, поэтому приходится в практике останавливаться на значениях C равных 150—300 см. Сопротивление R для приема радиотелефона берется равным 1 мегому, для приема радиотелеграфных сигналов может быть допущено гораздо большее значение R, а именно R порядка 2—3 мегомов. Увеличить же R по возможности весьма важно для получения более чувствительного приема. Само собой понятно, что если R велико, то ток в сетке вызовет накопление большого заряда на сетке, а следовательно, и большое спадение тока в цепи сетки и цепи анода.
Чувствительность описываемого метода детектирования зависит от амплитуды напряжения высокой частоты сигнала. Эта зависимость показана на рис. 18, где по оси абсцисс нанесены действующие значения напряжения сигнала, а по оси ординат — уменьшение тока в анодной цепи при приеме сигналов на волне 1000 метров с помощью лампы Р5. Из кривой видно, что чувствительность детектирования быстро увеличивается с напряжением от сигнала, затем уменьшается; это уменьшение об’ясняется тем, что в этом случае изменения анодного тока заходят в область перегиба соответствующей анодной характеристики и, кроме того, вообще уменьшение анодного тока может происходить только до определенного предела, а именно до 0.
1 — для детектирования кривизной анодной характеристики, 2 — для детектирования кривизной характеристики тока сетки.
Этот метод детектирования для слабых сигналов более чувствителен, чем метод детектирования кривизной анодной характеристики, так как характеристика анодного тока используется на прямом участке; детектирование же обязано кривизне характеристики тока сетки. Для сигналов же сильных детектирование кривизной анодного тока всегда дает лучшие результаты. На рис. 19 нанесены кривые зависимости детектированного тока в цепи анода от действующего напряжения сигнала: 1 — для метода детектирования кривизной анодной характеристики, 2 — для метода детектирования кривизной характеристики тока сетки; кривые, полученные экспериментально, полностью подтверждают выдвинутые выше положения.
Для радиолюбителей последний метод представляет большой интерес: 1) в виду его простоты — не требуется лишних батарей, устройство же гридлика чрезвычайно просто4), 2) в виду его большой чувствительности для приема слабых сигналов (прием с осветительной сети).
В заключение этой главы для большей полноты картины на рис. 20 приведены зарисованные осциллограммы токов и напряжений в отдельных цепях лампового приемника для обоих методов детектирования при приеме затухающих сигналов. Эти осциллограммы также полностью подтверждают наши рассуждения.
1) Потенциометр или иначе делитель напряжения — реостат высокого сопротивления, позволяющий от источника электр. энергии взять на цепь любое напряжение, не превышающее напряжение источника; его включение в схему и действие ясно будет из приводимых ниже об'яснений.
2) Та же картина справедлива и для других ламп.
3) Главную роль играет как раз конденсатор C.
4) Было бы интересно, если любители сами разработали бы методы устройства гридлика. Поэтому на конструкции гридлика я не останавливаюсь, надеясь, что самодеятельность любителей даст нужные образцы любительских гридликов. В № 1 (9) "РЛ" первая попытка в этом направлении уже сделана.